河道中擬建整體式道路平臺設計方案分析

高 健，陳 丹，馮佳佳

（南京市水利規劃設計院責任有限公司，江蘇 南京 210006）

河道中擬建整體式道路平臺設計方案分析

高 健，陳 丹，馮佳佳

（南京市水利規劃設計院責任有限公司，江蘇 南京 210006）

河道中涉水工程的建設，由于河底地基及工程受力特點的特殊性，極易發生不均勻沉降及基底應力過大的情況。借助三維有限元數值分析軟件，針對河道中道路平臺的沉降及基底應力情況進行了模擬分析。結果表明：河道中道路平臺從建設到運用的各個階段，平臺底板的沉降相對比較均勻，沒有明顯的差異沉降；此外，道路平臺的基底應力值分布相對不均，底板兩側及柱端基底應力相對較大，底板中部基底應力相對較小，但是基底應力在地基承載能力范圍之內。因此，河道中該種整體型的道路平臺的設計方案是可行的。

河道；道路平臺；沉降；基底應力

0　引　言

城市中日益增多的各類車輛對傳統的城市道路不斷提出挑戰。為了緩解城市中交通擁堵的情況，城市道路不得不在原有的基礎上不斷拓寬。但是，城市中建筑用地相對緊張，伴隨著拆遷難、移民難等一系列社會問題，導致很多情況下城市道路不得不向道路沿線的河道“要空間”。

在過水能力方面，城市中河道寬度一般相對較小，河道中道路平臺的建設，對河道原始斷面影響較小，河道的過水與行洪能力變化不大，一般可以不予考慮。然而，河道中常年過水，河底地基在浸水條件下，河底地基往往比較松軟，淤泥質材料也相對較多，天然河道中涉水工程建設時，很難做到大范圍完整地清理換填地基。因此，河道中涉水工程極易產生差異沉降及基底應力分布不均等情況[1-4]。尤其是河道中道路平臺上車輛荷載較大，河底軟弱地基的差異沉降容易導致路面開裂乃至沉陷。國內外很多學者針對這一問題開展了研究[5-7]，大量結果表明不同的設計方案往往會帶來不同的影響，因此，很有必要針對具體的設計方案進行具體的分析。

1　工程概況及計算模型

1.1工程概況

本文研究項目位于江蘇省淮安市一景觀河道上，該研究項目位于貫穿城市的一條河流中部位置。該河流自東向西貫穿整個城區，在河道底部2.5 m的位置，順著河流流向布置了一條有壓排水管道。現由于城市規劃建設的需要，要在河道左岸建設一寬約5 m的道路平臺，停車平臺采用現澆的鋼筋混凝土結構。河道中停車平臺的設計斷面如圖1所示，河道左右兩岸開挖后采用錨桿支護，表面采用素混凝土噴護，筏板式道路平臺底板厚1 m，每隔16 m設置一個分縫，每段設置4個0.8 m× 0.8 m的立柱，支撐上部平臺。河道底部圓管為供水管道，管徑為1.8 m，管壁厚0.5 m，河道底部寬15 m，河道中常年水深為1.1 m。

1.2計算模型

為了研究分析道路平臺建設在河底之后整體的沉降情況及基底應力的情況，借助三維有限元計算軟件，對該河道中的道路平臺進行了模擬分析。根據設計典型斷面圖，選取了道路平臺兩個分縫中間的一個典型的河段，構建了有限元三維模型,如圖2所示，其中道路平臺的框架結構如圖3中所示。由于該工程設計河底縱坡i=0.000 9，就結構分縫所在單一河段而言，河底高程變化較小，因此，本文為了簡化計算，假定河底高程保持不變，其余細部結構尺寸均根據設計斷面圖構建。

1.3材料參數

為了真實地分析結構的受力及位移情況，計算過程中根據地質勘測資料對河底地基進行了分層，從上到下大致分為三層，每層的層厚依次為1.5 m、7 m、2 m，框架結構整體采用C25鋼筋混凝土材料。由于土體材料的應力應變關系呈現明顯的非線性特性，鋼筋混凝土結構的應力應變關系呈現明顯的線性，因此本文在計算過程中，土體材料采用摩爾—庫倫本構模型，鋼筋混凝土材料采用線彈性本構模型，各種材料的參數選取見表1。

圖1　河道典型設計斷面圖（單位：mm）

圖2　整體三維模型圖

圖3　道路平臺框架模型圖

表1　計算主要材料參數表

1.4邊界條件

在該工程中，主要分兩種工況進行研究分析。工況一位設計工況，即道路平臺非正常（施工期或竣工期）運用河道無水的情況，工況二位校核工況，即河道過水的情況。該停車平場設計使用年限為50年，結構安全等級為二級，汽車荷載標準采用公路—Ⅱ級。

因此，在荷載施加方面，除了結構本身的自重外，還有水壓力、車輛荷載等外部荷載的作用。因此，根據實際情況在框架底板、擋墻臨水側以及護底頂面均定義了1 m靜水壓力；在框架結構的頂部施加8 kN/m2的均布活荷載，每個柱的頂部施加3 000 kN的集中荷載；在管道內壁施加0.9 MPa的內水壓力，荷載施加情況如圖4所示。

圖4　邊界條件施加情況圖

計算時在模型的周邊需要設置約束以及外部荷載等邊界條件，在該模型的4個側面分別施加了垂直側面的固定約束，在模型的底部施加了豎直方向的固定約束。

1.5計算過程

與前文的兩個方案計算過程類似，計算過程中，充分考慮到整個工程的建設過程，分4個步驟進行：第一步，計算道路平臺施工后道路平臺整體沉降及基底應力情況；第二步，計算道路平臺兩側土體回填后道路平臺整體沉降及基底應力情況；第三步，計算車輛荷載施加后道路平臺整體沉降及基底應力情況；第四步，計算河道過水后道路平臺整體沉降及基底應力情況。

2　沉降及基底應力分析

2.1沉降分析

通過數值計算，可以得到不同階段河道中各建筑物整體的沉降位移云圖，如圖5所示。由圖中數據分析可知，道路平臺施工后整體沉降量約為18.9 mm，最大沉降發生在道路平臺左岸頂部位置，道路平臺兩側土體回填后整體沉降為24.1 mm，車輛荷載施加后整體沉降為36.3 mm，河道過水后道路平臺整體沉降為40.1 mm。由不同階段的沉降位移云圖不難看出，河道中道路平臺左側的沉降最大，但是在整個建設過程中，從道路平臺建成、土體回填、道路平臺運用，到河道過水，地基土中的沉降等值線大致呈現平行的趨勢，說明在底板以下并未有明顯的差異沉降，對道路平臺底板而言發生更多的是均勻沉降，這表明軟土地基及河底管道不會對導致停車平臺產生差異沉降。

圖5　不同階段整體沉降量云圖（單位：m）

2.2基底應力分析

通過數值計算，可以得到不同階段平臺底板部位的豎向應力云圖，如圖6所示。由多組豎向應力云圖對比分析可知，由于框架柱的荷載傳遞作用，底板兩端及支撐柱部位基底應力相對較大，基底應力最大值發生在底板的左側部位，底板中部基底應力相對較小。由圖中數據分析可知，從停車平臺建成之后：在第一階段底板基底應力最大值為99.9 kPa，最小值為9.0kPa，基底應力均值為54.5kPa；在第二階段底板基底應力最大值為119.0 kPa，最小值為5.6 kPa，基底應力均值為62.3 kPa；在第三階段底板基底應力最大值為199.0 kPa，最小值為5.3 kPa，基底應力均值為102.2 kPa；在第四階段底板基底應力最大值為220.0 kPa，最小值為19.0 kPa，基底應力均值為119.5 kPa。整個過程中，道路平臺基底應力不斷增大，但是基底應力的均值并未超過地基的承載力值。

圖6　不同階段道路平臺基底應力云圖（單位：kPa）

3　結論

河道中涉水工程的建設，由于河底地基及工程受力特點的特殊性，極易發生不均勻沉降及基底應力過大的情況。本文借助三維有限元數值分析軟件，針對河道中道路平臺的沉降及基底應力情況進行了模擬分析。結果表明：河道中道路平臺從建設到運用的各個階段，平臺底板的沉降相對比較均勻，沒有明顯的差異沉降；此外，道路平臺的基底應力值分布相對不均，底板兩側及柱端基底應力相對較大，底板中部基底應力相對較小，但是基底應力在地基承載能力范圍之內。因此，河道中該種整體型的道路平臺的設計方案是可行的。

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1009-7716（2016）04-0053-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.018

2015-12-28

高健（1982-），男，江蘇南京人，工程師，從事水工、水運等設計工作。